Тенденции в системах ввода-вывода автоматизации процессов

Сначала несколько определений:

NOA - Открытая архитектура Namur - изобретена Ассоциацией пользователей технологий автоматизации (NAMUR). Это способ получения дополнительных значений и данных управления активами (иногда называемых неактуальными данными) от прибора путем установки второго параллельного стандартного канала связи, который может быть беспроводным, Bluetooth, 4G / 5G и т. Д. И не влияет на существующее соединение первичной системы автоматизации для измеряемого значения.

Ethernet - APL ™ - Расширенный физический уровень Ethernet - был создан торговой группой производителей оборудования, включая OPC, и будет предоставлять Ethernet для полевых операций, для отдельных приборов и датчиков. Он все еще находится в стадии разработки, что позволит использовать кабели большой длины и взрывозащиту за счет искробезопасности с обменом данными и питанием по двум проводам.

OPC UA - Open Platform Communications Unified Architecture - это протокол межмашинной связи для промышленной автоматизации, разработанный группой производителей оборудования OPC Foundation.

MTP - Module Type Packages - это развивающаяся стандартизированная методология, опять же из NAMUR, которая обеспечивает общий язык для описания свойств технологических модулей независимо от производителя и технологии. Это позволяет любой системе автоматизации более высокого уровня использовать MTP для точного управления конкретным модулем / пакетом.

Объем рынка систем ввода-вывода для автоматизации процессов

Общий объем рынка систем ввода-вывода для процессов оценивается чуть более чем в 3 миллиарда долларов, при этом среднегодовой темп роста составляет около 3,7%. Siemens принадлежит примерно 14% этого сектора, ABB - 10%, Honeywell - 9% и Rockwell - 8%.

Общие тенденции в системах ввода-вывода для автоматизации процессов

• Децентрализация - распределенная установка удаленных станций ввода-вывода на месте, а не централизованно в главной диспетчерской.

=> сокращение количества кабелей на заводе

• Снижение количества заводов Fieldbus
• Подключение полевых датчиков непосредственно к клеммным колодкам ввода / вывода.

=> устранение перекрестной разводки шкафов

• Повышенная гибкость с универсальным вводом-выводом, также известным как ввод-вывод с поздним связыванием, или электронная маршаллинг, или настраиваемый ввод-вывод.

=> разделение аппаратного и программного обеспечения для автоматизации, более короткие поставки системы (время вывода на рынок) и более ранняя проводка на месте

• Более широкое внедрение «интеллектуальных» датчиков с более высоким набором данных.

=> Расширенная оптимизация управления, удаленная диагностика и данные управления активами

• Рост популярности Ethernet-коммуникаций в этой области.

=> например PROFINET и Ethernet - APL ™

соломенный опрос сообщества специалистов по автоматизации LinkedIn дал следующие результаты:

• 
• 
• 

Неудивительно, что «Станции удаленного ввода-вывода в полевых условиях» легко выиграли во всех трех группах, но что интересно, «Тип универсального ввода-вывода» оказался на последнем месте в группах инженеров по приборам и ISA, которые считаются более значительными. автоматизация процессов смещена, чем автоматизация производства, ориентированная на группу автоматизации. «Plant Fieldbus» также преуспела, чем ожидалось, заняв второе место во всех группах.

Снижение количества промышленных сетей

На протяжении многих лет существовала историческая тенденция к децентрализации на местах вместо возврата к главной диспетчерской. Самым ярким примером этого было использование промышленных шин для экономии на заводских кабелях. Как это ни парадоксально, количество промышленных промышленных шин сократилось, в то время как тенденция к использованию удаленных станций ввода-вывода даже во взрывоопасных зонах сохранилась.

Было время, когда полевые шины были в моде, особенно в нефтегазовом и нефтехимическом секторах. Это изменилось !! Как ни странно, одна крупная нефтяная компания объяснила, что 20 лет назад инженер должен был обосновать, почему они не использовали Foundation Fieldbus (FF) для нового проекта, 10 лет назад это не изменилось, и до сих пор инженер должен обосновать, почему им нужно использовать FF. вместо обычного решения HART 4–20 мА.

Одним из основных предполагаемых преимуществ полевой шины была экономия затрат и упрощение кабельной разводки - эта экономия значительно снижается при развертывании во взрывоопасных зонах, и наряду с уровнем технической компетенции, необходимой для проектирования, установки и обслуживания систем полевой шины, значительно снизилась популярность . Установки FF предположительно имели многочисленные проблемы с заземлением. Многие из преимуществ удаленной диагностики и управления активами полевых шин в любом случае реализуются с помощью обычных сигналов HART более 4-20 мА, и действительно, второй параллельный канал, предложенный NOA, обеспечивает это, не влияя на подключение основной системы автоматизации

Популярность беспроводной связи, которая предлагает еще больше преимуществ для кабельной разводки предприятий, растет и занимает некоторую долю рынка FF, но в основном только для индикации, низкой скорости сканирования и неконтролирующих измерений. Однако при использовании беспроводной связи следует учитывать не только маршруты передачи, но и тот факт, что если передатчик не имеет автономного питания и в любом случае требуется прокладка кабеля питания - действительно ли это экономия?

Почему PROFIBUS показал себя лучше как Fieldbus?

PROFIBUS добился большего успеха отчасти потому, что он используется в отраслях промышленности за пределами нефтегазовой отрасли, стал стандартом электрических систем для обмена данными между MCC и VSD и используется многими поставщиками в качестве их шины ввода-вывода. PROFIBUS также превращается в PROFINET - супердетерминированный протокол со скоростями Ethernet, носителями и компонентами. PROFINET особенно подходит для связи удаленного ввода / вывода, используемой Siemens.

Почему считается популярным универсальный ввод-вывод?

Опять же, это противоречит тенденции к децентрализации, обратно к универсальному вводу-выводу в главной диспетчерской. Но, безусловно, это происходит благодаря производителям DCS, которые выпустили множество универсальных и конфигурируемых систем ввода-вывода за последние несколько лет. Однако, возможно, более ранние опросы показывают, что это не так популярно среди инженеров по автоматизации конечных пользователей, как нас уверяют компании DCS.

Универсальный ввод / вывод имеет множество форм, некоторые из них с модулями ввода / вывода на 16 или 32 канала, которые настраиваются для каждого сигнала, другие, где требуемый модуль выбирается для каждого канала. Преимущества заключаются в сокращении сроков поставки системы автоматизации, раннем монтаже полевой проводки; и обработка изменений ввода-вывода на очень поздних этапах жизненного цикла проекта.

Но требуются многие типы входов / выходов - с питанием и без питания, 2- и 4-проводные, симплексные и резервные, безопасные и опасные зоны, не-SIL и SIL, защита от короткого замыкания и обрыва цепи, гальваническая развязка и т. Д. - не все универсальные системы ввода-вывода еще могут справиться со всем этим.

Например, если решение требует отдельных искробезопасных барьеров, это скорее повредит объект. Универсальные барьеры теперь доступны, но, конечно, дороже, чем плата ввода-вывода со встроенными барьерами. Кроме того, многие универсальные системы ввода-вывода не обеспечивают истинного резервирования ввода-вывода.

Это миф, что универсальный ввод / вывод экономит место за счет исключения распределительных шкафов и перекрестной разводки кабелей - это скорее продукт тенденции к подключению полевых кабелей непосредственно к плате ввода / вывода (или, точнее, к фиксированному оконечному устройству, чтобы Плата ввода / вывода легко снимается). Действительно, универсальный ввод-вывод значительно менее плотный, чем фиксированный ввод-вывод в диапазоне 55-140 операций ввода-вывода на м по сравнению с 400-500 операций ввода-вывода на м, поэтому для этого требуется гораздо больше места, чем для фиксированного ввода-вывода.

Является ли универсальный ввод-вывод более экономичным?

Несомненно, выделенный фиксированный модуль ввода-вывода с высокой плотностью размещения более рентабелен, чем универсальное решение, в котором каждый тип ввода-вывода должен быть встроен или выбран для каждого канала? Добавьте к этому экономию затрат на кабельную разводку установки, когда выделенный ввод / вывод используется удаленно рядом с технологической установкой, и сокращение занимаемой площади - это должно быть победителем !!

Конечно, система, которая сочетает в себе выделенный ввод-вывод высокой плотности с возможностями позднего связывания универсального ввода-вывода, также является сильным аргументом. Это может быть достигнуто, если многоканальные модули подключены к общей объединительной плате в последнюю минуту, не затрагивая уже подключенные кабели предприятия.

Например, Siemens ET200SP HA I / O может обрабатывать до 896 сигналов в одном стандартном шкафу, а блоки являются модульными, так что требуемый ввод / вывод и тип оконечной нагрузки могут быть подключены к универсальной объединительной плате при необходимости. Добавьте к этому настраиваемую карту (16 выбираемых сигналов AI / DI / DO на канал) для последних 10% в случае изменений, возможно, это окончательная панацея от позднего связывания, экономической эффективности и экономии места.

Пример шкафа прямого подключения 56 модулей ввода-вывода, до 896 модулей ввода-вывода 800 x 2000 мм (ширина x высота)

Возможности:

• Доступ с одной стороны, глубина 400 мм
• Температура окружающей среды шкафа -20 ... + 40 ° C
• Резервное питание 120/230 В переменного тока
• прямое подключение до 2,5 мм²
• Связь PROFINET через медный или оптоволоконный кабель.
• До 56 полевых кабелей (диаметром 20 мм)

 1 - MCB и RCB подачи. 
 2 - AC / DC SITOP PSU 8200 40A (Siemens, 6EP3334-8SB00-0AY0) 
 3 - Модуль резервирования SITOP PSE202U (Siemens, 6EP1961-3BA21) 
 4 - Распределение энергии и предохранитель картриджа 
 5 - доп. HW, например SCALANCE XC206-2-SFP (Siemens, 6GK5 206-2Bs00-2AC2) 
 6 - T 200SP HA с интерфейсным модулем и адаптером шины 
 7 - Запасной провод и клеммы M (масса) 
 8 - Профиль для крепления и экранирования кабеля 
 9 - кабельный канал 

Инженерные подрядчики (EPC) предпочитают ввод-вывод с поздней привязкой!

EPC предпочитают позднее связывание, потому что они могут определять ввод-вывод на очень поздних этапах жизненного цикла проекта. Давно известно, что контрольно-измерительная аппаратура завершается после завершения проектирования трубопроводов, механики и технологического процесса, и любые последующие изменения в конечном итоге попадают в систему автоматизации.

Универсальный ввод-вывод - это, конечно, еще не все, DCS должна быть способна конфигурироваться так, чтобы программное обеспечение адресовало точки ввода-вывода универсальным способом, а не конкретно канал-модуль-стойка. Это позволяет отделить прикладное программное обеспечение от сборки оборудования и разрабатывать его на ранних этапах проекта до того, как будет окончательно определен ввод / вывод.

Ethernet в поле

Тенденция к более интеллектуальным приборам / датчикам привела к появлению в этой области инициативы Ethernet - сначала в качестве шины ввода / вывода для удаленных станций ввода / вывода в полевых условиях - сначала для этого широко используется PROFIBUS DP, затем PROFINET. Затем, в конечном итоге, к Ethernet напрямую к отдельным приборам / датчикам. Эта тенденция, несомненно, ослабит аргументы в пользу универсального ввода-вывода.

Поистине универсальное решение "подключи и производи"

Примером действительно универсального решения по подключению и производству является компактный полевой модуль (CFU) Siemens, использующий PROFINET (скоро будет Ethernet - версии APL ™) для удаленного распределения устройства рядом с технологическим процессом, а затем можно подключить до 8 устройств PROFIBUS PA. подключен и автоматически распознается на любом порту. Это обеспечивает гибкость, упрощение и значительную экономию на заводских кабелях, распределительных коробках и т. Д. Это устройство хорошо вписывается в отрасль Ethernet и может возродить инструменты Profibus PA.

От инструментов к пакетам и к MTP

Тенденцию к более умным приборам можно рассматривать как приближение инструментов к пакетам или модулям сами по себе. Действительно, NOA и MTP, разработанные NAMUR, являются дополнительными решениями. MTP более важен для установки на зеленом поле, тогда как NOA подходит для существующих участков на коричневом поле. Когда NOA используется для новых приложений, в идеале он должен использовать OPC UA для связи.

Модульная автоматизация MTP и открытая архитектура NOA NAMUR дополняют друг друга

Выводы

1. Существует историческая тенденция к децентрализации станций ввода-вывода, однако снижение количества полевых шин и рост универсального ввода-вывода противодействуют этой тенденции. Принимая во внимание, что продолжающийся рост удаленного ввода-вывода и сети Ethernet в рамках инициативы на местах доказывает, что эта тенденция к децентрализации все еще актуальна.
2. Полевые шины, особенно Foundation Fieldbus, приходят в упадок из-за технической компетентности и исторических проблем с установкой.
3. PROFIBUS по-прежнему популярен, потому что он используется за пределами нефтегазовой отрасли, стал фактически стандартом для связи в электрических системах, и многие поставщики используют PROFIBUS DP, а теперь и PROFINET в качестве шины ввода-вывода.
4. EPC отдают предпочтение решениям ввода / вывода с поздним связыванием, поскольку они могут определять ввод / вывод в последнюю минуту жизненного цикла проекта, сокращаются поставки систем автоматизации, а заводские кабели могут быть установлены и отключены раньше.
5. Специальные решения ввода-вывода с высокой плотностью размещения могут быть более экономичными и экономичными, особенно при удаленном использовании, что позволяет сэкономить на кабельной разводке предприятия. Выделенные фиксированные системы ввода-вывода имеют плотность около 470 операций ввода-вывода на метр, тогда как универсальные системы ввода-вывода могут составлять всего около 55 операций ввода-вывода на м2.
6. На практике вполне вероятно, что фиксированные системы удаленного ввода-вывода высокой плотности, универсальные системы ввода-вывода, NOA и Ethernet - APL ™ будут сосуществовать в течение некоторого времени и станут предпочтительными в определенных областях. Но будет ли преобладать какая-то одна стратегия? Время покажет - оставайтесь интересной поездки !!